Contributions au contrôle du faisceau d'antenne réflecteur en utilisant les surfaces sélectives en fréquences et les réseaux réflecteurs

Les satellites utilisent généralement des antennes construites à base de réflecteurs paraboliques. Pour couvrir une seule zone de la Terre, on utilise deux antennes de taille différente pour les bandes de transmission et de réception. Le contrôle des faisceaux de l'antenne réflecteur nous permettra de combiner les deux antennes tout en maintenant la même largeur de faisceau dans chaque bande. Ce contrôle de faisceaux pourra se faire en utilisant des surfaces sélectives en fréquences (SSF) ou des réseaux réflecteurs (RR). Dans le but de pouvoir utiliser des SSF pour couvrir l'ouverture de l'antenne parabolique, nous avons montré les étapes de la conception d'une SSF bi-bandes multi-couches (à 20 GHz et 30 GHz). Une modification de la géométrie des ouvertures de la cellule est proposée pour diminuer la taille de la cellule en modifiant l'impédance de l'élément. Ainsi, nous avons éloigné les lobes discordants à des fréquences hors des bandes d'intérêt et évité des distorsions dans la bande de fréquences de 30 GHz. Par la suite, nous avons opté pour une SSF en deux couches identiques pour garantir une stabilité de la bande passante en fonction de l'angle d'incidence. Nous avons remarqué des variations brusques des coefficients de transmissions de la SSF à environ 23 GHz. Ces fluctuations sont dues à une excitation d'ondes de surfaces par des modes d'ordres supérieurs. Dans cette étude nous avons supposé que la SSF est de taille infinie. Ce type d'étude nous permet de tenir compte de l'excitation de ces ondes de surfaces. Par ailleurs, l'excitation de ces ondes de surface guidées par le réseau (OSGR) d'éléments ne peut se manifester que lorsque nous étudions une SSF de taille finie. La diffraction des OSGR aux extrémités de la SSF peut modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne. Ainsi, nous avons présenté et étudié une méthode numérique pour analyser les SSF de tailles finies en tenant compte des OSGR. D'un autre côté, nous avons présenté les étapes de la conception d'un réseau réflecteur (RR) bi-bandes dont le but est de réfléchir le signal d'une bande de fréquences (dans ce cas 10 GHz) vers la direction spéculaire et de réfléchir le signal de l'autre bande de fréquences (dans ce cas 15 GHz) vers une direction non-spéculaire. Les mesures montrent qu'à 10 GHz le signal est réfléchi vers la direction spéculaire et qu'à 15 GHz le faisceau principal est dirigé vers la direction désirée. Cependant, à 15 GHz, une partie du signal est réfléchie vers la direction spéculaire. Ainsi, nous avons présenté une étude approfondie de ce phénomène de la réflexion dans la direction spéculaire par un RR conçu pour réfléchir vers une direction non-spéculaire. En se basant sur l'hypothèse que ce phénomène est dû à une erreur périodique des phases des éléments du RR, nous avons montré que quand nous ajoutons une erreur périodique linéaire aux phases désirées des éléments, nous obtenons un bon accord entre notre modèle et la simulation par HFSS. Ainsi, ce modèle simple nous a permis d'estimer les directions des lobes indésirables dues à cette erreur. En plus, une étude de l'amplitude de cette réflexion spéculaire en fonction de la couverture du RR par les patchs métalliques est présentée.

Abstract

The antenna systems in satellites are generally based on parabolic reflectors. To cover a single region of the Earth with two distant frequency bands, two different sized antennas are used. The beam control of the aperture antenna would let us use the two different frequencies with the same parabolic antenna system and maintain the same beamwidth for the two frequency bands. This beam control can be done using frequency selective surfaces (FSS) or reflectarrays (RA). In order to be able to use frequency selective surfaces to cover the aperture of the parabolic antenna, we show the steps to study a dual-band and multi-layer frequency selective surface (at 20 GHz and 30 GHz). By decreasing the cell size by changing the geometry of the elements we have delayed in frequency the appearance of the grating lobes and we avoided distortions in the frequency band of 30 GHz. Thereafter, we chose a two-layer frequency selective surfaces to ensure stability of the bandwidth as function of angle of incidence. We noticed an abrupt variation of the transmission coefficients of the frequency selective surface at about 23 GHz. These fluctuations are the effect of the surface waves excited by higher order modes. In this study, we assume that the frequency selective surface is periodic and has an infinite size. This kind of study allows us to take into account the excitation of these surface waves. Furthermore, the excitation of the array guided surface wave can occur also when we study a finite size FSS. The diffraction of these surface waves at the edges of the finite frequency selective surface may modify the radiation pattern of the antenna. Thus, we are presenting a numerical method to analyze large finite size frequency selective surfaces taking into account the array guided surface waves. On the other hand, we also present the steps to design a dual-band RA to reflect the signal of a frequency band (at 10 GHz) to the specular direction and to reflect the signal of the other band frequencies (at 15 GHz) to an off-specular direction. The measurements show that the 10 GHz signal is reflected to the specular direction and the main beam at 15 GHz is reflected in the desired off-specular direction. However, at 15 GHz, part of the signal is still reflected in the specular direction. Thereby, we present a thorough study of the specular reflection by a RA designed to reflect to a non-specular direction. Based on the assumption that this phenomenon is given by a periodic error of the phases of the RA elements, we show that when we add a linear periodic error to the desired phases, we get a good agreement between our model and the HFSS simulation. Thus, this simple model allows us to estimate the directions of undesirable sidelobes. In addition we present a study of the magnitude of the specular reflection as a function of the coverage of the RA by metallic patches.